Layout Tipps & Tricks - von Entwicklern für Entwickler

Große Kupferflächen in Leiterplatten führen Wärme ab und können zu einem unzureichenden/ungleichmäßigen Aufschmelzen der Lötpaste, oder zu unzureichendem Durchstieg führen. Dabei wird die Durchkontaktierung nicht vollständig vom Löt gefüllt. Ebenso können große Bauteile überdurchschnittlich viel Wärme abführen und so zu einem unbefriedigenden Lötergebnis führen.

Bei THT- und SMT- Bauteilen mit einem erhöhten Wärmebedarf an einem oder mehreren Anschlüssen kann über ein entsprechendes Design der Leiterplatte der Wärmeeintrag erhöht werden. Gleiches gilt für die Anbringung von Durchkontaktierungen in der unmittelbaren Nähe von Bauteilen. In beiden Fällen ist zu beachten, von welcher Seite der Wärmeeintrag erfolgt. Nicht genutzte Pads sollten auf Innenlagen entfernt werden ("non functional pad removal"). Bei Multilayern sollten Lagen mit großen Kupferflächen möglichst nahe der Oberfläche - auf der der Wärmeeintrag erfolgt - platziert werden.

HINWEIS: Je größer der Abstand zwischen Pad und umgebendem Kupfer, desto besser ist die Wärmefalle.

Eine zusätzliche Möglichkeit stellt die Verwendung unterschiedlicher Pad-Flachen auf der TOP- bzw. BOT-Seite beim Wellenlöten dar. Bei großen Pads ist ein guter Wärmeeintrag bzw. eine gute Wärmeabfuhr zu verzeichnen. Ein gegenteiliger Effekt tritt bei kleineren Pads auf. Durch entsprechende Kombination (großes Pad auf der Lötquellseite, kleines Pad auf der Lötzielseite) kann der Lötdurchstieg verbessert werden.

Die IPC-Klasse einer elektronischen Baugruppe wird durch den Einsatzbereich des Endproduktes bestimmt. In der IPC-A-610 sind folgende Klassen definiert:

Klasse 1 - Allgemeine Elektronikprodukte (General Electronic Products)
Hierzu gehören Produkte, bei denen die Hauptanforderung das Funktionieren der fertig bestückten Baugruppe ist.

Klasse 2 - Elektronikprodukte mit höheren Ansprüchen (Dedicated Service Electronic Products)
Hierzu gehören Produkte, bei denen stetige Funktion sowie eine erweiterte Lebensdauer erforderlich sind und ein unterbrechungsfreier Betrieb erwünscht, jedoch nicht kritisch ist. Typischerweise verursacht die Einsatzumgebung im Betrieb keine Ausfälle.

Klasse 3 - Hochleistungselektronik (High Performance Electronic Products)
Hierzu gehören alle Produkte, bei denen eine kontinuierliche, hohe Leistungsfähigkeit oder Leistungsbereitstellung auf Abruf unverzichtbar ist. Ein Funktionsausfall kann nicht toleriert werden. Die Einsatzumgebung der Geräte kann ungewöhnlich rau sein. Die Geräte müssen im Bedarfsfall funktionieren, wie beispielsweise bei lebenserhaltenden oder anderen kritischen Systemen.

HINWEIS: Eine Produktion nach Klasse 1 wird bei Ginzinger electronic systems nicht durchgeführt.

Für die Kalkulation eines Angebots sind Gerberdaten zwingend erforderlich. Der Leiterplattenhersteller benötigt diese zur Angebotslegung. Für die Gewährleistung einer reibungslosen Produktion sollen zusätzlich intelligente CAD-Daten bereitgestellt werden. Alle gängigen Dateiformate wie ODB++ , ASCII-Files oder IPC-2581 werden unterstützt. Nachstehende Informationen definieren die Anforderungen an die Elektronikproduktion bei Ginzinger electronic systems und werden für eine rasche und unkomplizierte Abwicklung benötigt:

Leiterplattendaten:

• Baugruppenbezeichnung  & Bestückungsart (zB. SMT ein-/zweiseitig; THT)
• Leiterplattenabmessung     (l x b [mm])
• Kupferlagen und Dicke      Anzahl/Aufbau
• Basismaterial und Dicke    FR4/xy mm
• Farbe Lötstopplack           Standard ist grün
• Bestückdruck                   Ja/Nein/Farbe
• Oberfläche                     Chemisch Nickel-Gold; HAL
• Konturen gefrast               Ja/Nein
• Impedanzkontrollierte LP    Ja/Nein
• IPC-A-610-Klasse             2 oder 3
• Bauteilherstellerfixierte Stückliste
• Kundenspezifische Bauteile
• Funktionstest, AOI, Klimatest

Weitere Tests:

• Prüfprotokoll                           Ja/Nein
• UL-Kennzeichnung der LP       Ja/Nein
• Kundenspezifisches Etikett     Ja/Nein

Die Fertigungdaten und Pläne werden idealerweise als ZIP-komprimierte Datei an die Kundenberatung versendet.

Was gehört ins Gerberpaket?

• Kupferlagen (inkl. Lagenaufbaubeschreibung)
• Lötstopplack
• Leiterplattenkontur
• Bestückplan für SMT, Bestückplan für THT
• Pastendaten, Bohrdaten
• Lasermarkierung TOP/BOT

Optional: Bestückungsdruck, BlueMask, Testpunktplan

Textdateien:

Bestückdaten

• Bauteilreferenz TOP/BOT, X-Koordinaten [mm], Y-Koordinaten [mm], Rotation [°]

Testpunktdaten

• Netzname bzw. Fanglöcher TOP/BOT, X-Koordinaten [mm], Y-Koordinaten [mm], Testpunktgröße [mm]

Stückliste

• Bauteilreferenznummer(n) - übereinstimmend mit Bestückplan
• Beschreibung inkl. Toleranz bzw. Hersteller und Herstellerbezeichnung
• Bauform
• Stückzahl pro Baugruppe

HINWEIS: Bevorzugt werden Stücklisten in den Formaten XLS und CSV.

Weitere Daten

Schaltplan als PDF, Prüfanweisung und falls vorhanden die Impedanzberechnung der Leiterplatte.

Beistellmaterial

HINWEIS: Eine Beistellung von Materialien sollte im Idealfall vermieden werden, denn durch nicht optimale Bauteilverpackungen können erhebliche Mehrkosten entstehen.

Die Kunststoffgehäuse von Bauteilen (oftmals bei BGAs, QFPs, sowie bei LEDs) können hygroskopisch wirken. Das bedeuted, Feuchtigkeit wird angezogen und im Bauteilinneren angereichert. Diese Bauteile sind vom Hersteller gekennzeichnet und in acht Feuchtigkeitsklassen (Moisture Sensivity Level = MSL) eingeteilt. Dementsprechend muss auf die Lagerung und auf das Handling geachtet werden. Je höher der MSL-Wert, desto höher sind Aufwand und Anforderungen im Produktionsprozess und damit auch die Kosten.

Hinweis:

• Prüfen Sie, ob es alternative Bauteile mit geringerem MSL-Wert gibt, um Produktionskosten zu sparen.
• Prüfen Sie mit Ihrem EMS-Dienstleister frühzeitig, ob Equipment zum Einschweißen, Lagern und Trocknen der Bauteile vorhanden sind.

Weitere Auskünfte erteilt gerne das Team von Ginzinger electronic systems.

Bauteile sollen nicht unnötig eng zueinander auf einer Leiterplatte plaziert werden. Der vorhandene Platz soll gleichmäßig ausgenützt werden. Zu eng platzierte Bauelemente können bei der automatischen, optischen Inspektion zu Pseudofehlern führen und den Produktionsprozess unnötig verzögern. Pseudofehler sind vermeintlich festgestellte Fehler in der Produktion und ziehen einen erhöhten Aufwand nach sich. Hohe Bauteile können niedrige Bauteile im AOI-Prozess abschatten, das stört das optische Messverfahren.

Bei Baugruppen mit einer Kombination aus vielen kleinen und sehr großen Bauteilen ist es schwierig, die richtige Menge an Lötpaste mit nur einer Schablonendicke auf alle Bereiche der Leiterplatte zu übertragen. Dasselbe gilt bei der Verwendung von THR-Bauteilen. Für diesen Zweck werden Stufenschablonen eingesetzt.

Der Einsatz von Stufenschablonen muss bereits im Layout der Leiterplatte berücksichtigt werden. Es müssen Mindestabstände zwischen einzelnen Öffnungen vorgesehen werden, um eine saubere Verarbeitung zu gewährleisten. Werden diese Eigenschaften nicht berücksichtigt, kann es zu Lötfehlern, Kurzschlüssen oder Lötperlen führen.

HINWEIS: Stufenschablonen können bei Verwendung vieler kleiner und sehr großer Bauteile eingesetzt werden. Wenn der maximale Abstand zwischen Pin und Aufsetzebene (Koplanarität) größer ist als die Schablonendicke, empfiehlt sich ebenfalls der Einsatz einer Stufenschablone.

Die Anbindung von Pads an Leiterbahnen soll, sofern elektrisch oder thermisch nicht zwingend notwendig, keinesfalls vollflächig bzw. über breite Leiterbahnen erfolgen.

Dies kann einerseits zu einer "mageren" Lötstelle, andererseits durch verstärkte Wärmeabfuhr (Wärmesenke) zu fehlerhaften Lötstellen (Tombstoning) führen. Kritisch kann dies insbesondere bei BGAs sein, da deren Lötstellen nur durch Röntgenanalysen kontrolliert und festgestellt werden können.

HINWEIS: Je kleiner das Bauteil, umso kritischer sind diese negativen Effekte.

Bohrungen in Leiterplatten können folgende Aufgaben haben:

• Durchkontaktierungen (Vias) sind elektrische Verbindungen zwischen unterschiedlichen Lagen.
• Durchkontaktierungen zur Verlötung von THT- oder THR-Bauteilen
• Befestigungsbohrungen
• Bohrungen für Durchführungen

Die Durchmesser der Bohrlöcher sollen vereinheitlicht werden. So wird weniger Zeit für einen Werkzeugwechsel benötigt. D.h. für alle Vias soll möglichst nur ein Durchmesser gewählt werden. Auch Befestigungslöcher sollten einen einheitlichen Durchmesser haben.

Befestigungsbohrungen

Leiterplatten können durch leitende oder isolierende Befestigungspunkte in einem Gehäuse fixiert werden. Um Beschädigungen, Unterbrechungen oder Kurzschlüsse zu vermeiden, sollen Abstände und Toleranzen berücksichtigt werden. Werden Befestigungspunkte als elektrische Verbindung genutzt, so ist zu beachten, dass die Verbindung der Leiterbahn mit der Kontaktfläche außerhalb des Schraubkopfs oder der Unterlagscheibe liegt, um ein Durchtrennen der Verbindung beim Einschrauben zu vermeiden.

Sperrzonen für Befestigungsbohrungen

Rund um Befestigungsbohrungen sollen Sperrzonen definiert werden, in die keine Bauteile, Anschlüsse oder Pads reichen dürfen.

Passermarken (engl. fiducials) dienen auf elektrischen Leiterplatten als optische Referenzpunkte für automatisierte Fertigungsverfahren. Die Passermarken werden optisch erfasst. Je nach Anforderung werden mehrere Passermarken auf der Oberfläche der Leiterplatte platziert, um die hohen Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen. Zur guten Erkennbarkeit sollte eine Passermarke folgende Eigenschaften haben:

• Kupferscheibe Durchmesser etwa ein Millimeter
• Ring mit Innendurchmesser von 2 Millimeter
• Lötstopplackfreistellung mit 4 Millimeter Durchmesser

Drei Passermarken sollen auf jeder zu bestückenden Leiterplattenseite vorhanden sein. Die Marken sollen diagonal in maximaler Entfernung auf der Leiterplattenseite platziert werden. Die Passermarken müssen derart posititioniert werden, dass die automatische Unterscheidung zwischen TOP- und BOT Seite möglich ist.

Vor allem bei beidseitig SMT-bestückten Leiterplatten ist auf das Gewicht der Bauteile zu achten, um kosten für zusätzlich notwendige Prozessschritte zu vermeiden. Ausschlaggebend ist das Bauteilgewicht je Bauteilanschlussfläche. Sehr schwere Bauteile, die das Bauteilgrenzgewicht überschreiten, können im SMT-Prozess nicht im ersten Lötvorgang verarbeitet werden. Es besteht die Gefahr des Abfallens beim zweiten Lötvorgang über Kopf. Alle schweren Bauteile sollen einheitlich nur auf einer Leiterplattenseite (TOP oder BOT) platziert werden.

Kriterien zur Identifikation von schweren SMT-Bauteilen sind:

• Bauteilhöhe > 4 mm
• RM > 1,27 mm
• Körpervolumen > 50 mm3/Anschluss
• Stark asymmetrische Pins oder Gehäuse

Eine Annäherung bietet auch die Formel: max. Bauteilgewicht < L*b*0,05*n

L = Länge des Bauteilanschlusses (Minimalwert)
b = Breite des Bauteilanschlusses (Minimalwert)
0,05 = Bauteilgewicht 0,05 g/mm2
n = Anzahl der Anschlüsse

Hinweis: Falls das Grenzgewicht nicht eingehalten werden kann, können schwere Bauteile vor dem Lötprozess verklebt werden. Hierfür wird ein Kleberdispenser verwendet. Weitere Auskünfte erteilt gerne das Team von Ginzinger electronic systems.

Statistisch gesehen lassen sich 64% der Produktionsfehler in einer SMT-Produktion auf einen fehlerhaften Pastendruck zurückführen. Diesem Bereich muss daher besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Das Drucken der Lötpaste muss voll automatisiert ablaufen, um Fehler durch manuelle Eingriffe zu verhindern. Hohe Druckgeschwindigkeit reduziert Maschinenzeiten und Kosten.

Pastendaten sollen vom Leiterplattendesigner in einer eigenen Lage in der Gerberdatei hinterlegt werden. Auf diesen werden die Daten zur Produktion der Schablone generiert. Der EMS-Dienstleister kann auf Basis weiterer Informationen und Erfahrung passende Vergrößerungen oder Verkleinerungen einzelner Öffnungen in der Schablone vorsehen.

Rakel aus Edelstahl oder Kunststoff streifen die Lötpaste über die Druckschablone. Die Lötpaste wird dabei durch die Schablonenöffnungen gedrückt und verbleibt an den gewünschten Stellen der Leiterplatte. Überschüssige Paste wird mittels Rakel von der Schablonenoberfläche abgestreift.

In modernen SMT-Produktionslinien vermisst ein 3D-Solder-Paste-Inspektion (SPI)-System nach dem Pastendruck das gedruckte Volumen der Lötpaste über die gesamte Leiterplattenfläche. Fehlerhafte Bedruckung kann daher in diesem Prozessschritt sofort korrigiert werden.